Материалы полупроводниковой технологии.

Германий (Ge) является одним из первых полупроводников, получивших широкое применение в серийном производстве различных полупроводниковых приборов. Его используют при производстве выпрямительных и импульсных диодов, различных видов транзисторов, фотодиодов, фоторезисторов, детекторов инфракрасного излучения и.д. Диапазон рабочих температур этих приборов от –60^оС до 80 ^о С.

Германий обладает кубической решеткой. По внешнему виду благодаря характерному блеску он напоминает металл. Его кристаллы очень твердые и хрупкие. Сравнительно высокая стоимость германия объясняется сложностью получения исходного сырья.

Собственное удельное сопротивление германия составляет rv=0,47Ом·м.

Ширина запрещенной зоныDEзз = 0,67 эВ при Т = 3000 К

Температура плавления Тпл = 937⁰ С

Подвижность электронов μn = 0,39 м2/В*с

Подвижность дырок μp = 0,19 м2/В*с

λ=0,8 Вт/см*рад

t_раб. = -60^о + 70^о

Невысокий верхний предел рабочей температуры является существенным недостатком германия.

При нагревании на воздухе до температуры 650^о С германий окисляется с образованием GeO₂, но эта пленка имеет плохие защитные свойства.

Германий- элемент 4-й группы, имеет кубическую кристаллическую решетку с ковалентными связями.

Содержание германия в земной коре невелико 7 10-4 %.

Материалы с большой концентрацией германия не встречаются в природе. Этот материал получают из побочных продуктов цинкового производства или из медно-свинцовых руд.

В результате химической переработки получают тетрахлорид германия GeCl₄, затем гпидролизом переводят его в двуокись германия GeO₂ – порошок белого цвета.

GeCl₄ + 2H₂O → GeO₂ + 4HCl

GeO₂ восстанавливают в водородной печи при t^о = 650 – 700^о С до элементарного Ge - порошок серого цвета

GeO₂ + 2H₂ → Ge + 2H₂O

Затем порошок сплавляют в слитки, которые требуют дополнительной очистки.

Для получения чистого германия используют метод зонной плавки или вытягивания из расплава (метод Чохральского).

Германий, используемый для изготовления полупроводниковых приборов, не должен содержать случайных примесей больше 5х10 ^-9 %. Наиболее распространенным способом очистки германия является метод зонной плавки. Метод зонной плавки основан на сегрегации примесей в жидкой и твердой фазе, т.е. разной растворимости в жидкой и твердой фазе.

1 – кварцевая трубка, заполненная инертным газом,

2 –индукционный нагрев, 3 – слиток германия, 4 – графитовая лодочка,

5 – расплавленные зоны.

Ширина зоны плавления 40 – 50 мм.

Скорость движения каретки 15 – 20 мкм/с.

Длина слитка Ge может быть до 1000 мм.

Для достижения требуемой чистоты необходимо 5 – 8 проходов расплавленной зоны, или один проход с 5 – 8 витками. В ходе плавки все примеси, имеющие Т_{пл. примеси} ‹ Т_{пл Ge} захватываются жидкой фазой и вместе с ней уносятся к концу слитка, которую отрезают (20 – 25 мм).

Кремний (Si) является самым распространенным элементом в земной коре после кислорода, его содержание в ней 28%. Однако в свободном состоянии в природе он не встречается. Его соединениями являются такие распространенные природные материалы, как кремнезем и силикаты.

Кремний применяют для изготовления различных диодов и транзисторов, стабилитронов, фотодиодов, датчиков Холла и многих других полупроводниковых приборов. Кремний используется при изготовлении интегральных схем. Практически 98% полупроводниковых интегральных схем, в настоящее время, выполняются на основе кремния.

Собственное удельное сопротивление кремния составляет r_v =2·10³ Ом·м.

В технологическом отношении кремний более сложный материал, чем германий, так как он имеет высокую температуру плавления 1420^оС и в расплавленном состоянии химически весьма активен (вступает в реакцию практически со всеми тигельными материалами).

Кремний дешевле германия из-за доступности исходного сырья. Допустимое содержание посторонних примесей в кремнии, используемом в производстве полупроводниковых приборов, не должно превышать 10 ^-11 %.

Благодаря тому, что кремний имеет большую ширину запрещенной зоны, чем германий, кремниевые приборы могут работать при более высоких температурах. Верхний температурный предел работы кремниевых приборов достигает 200 ^о С.